DE19608246A1 - Kompensationsstromregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompensationsstromregler mit einem Sensor zur hochfrequenten Abfrage der Wirkung des Kompensations­ stroms und einem den Kompensationsstrom in Abhängigkeit von Ab­ weichungen von einem Sollwert des Sensorsignals einstellenden Stromsteller.

Es ist in der Meßtechnik bekannt, Meßwerte dadurch festzustellen, daß ein Effekt des zu messenden Signals mit einem Kompensations­ strom kompensiert wird, wobei die Größe des dafür benötigten Kom­ pensationsstroms proportional zum Meßwert ist. Dabei muß der Kom­ pensationsstrom natürlich dem zu messenden Signal ständig nachge­ führt werden. Es ist daher erforderlich, die kompensierende Wir­ kung des Kompensationsstroms ständig mit einem Sensor zu überprü­ fen.

Es ist bekannt, eine derartige Überprüfung durch eine hochfrequen­ te Abfrage vorzunehmen, bei der festgestellt wird, ob die Kompen­ sationsbedingung noch erfüllt ist oder eine Abweichung vorhanden ist. Besteht die Abweichung, wird die Polarität und die Größe des Abweichungssignals festgestellt und daraus ein Steuerungssignal für den Kompensationsstrom abgeleitet. Ein Beispiel für eine der­ artige Anordnung, die als Stromsensor arbeitet, ist durch DE 41 28 989 C2 bekannt. Um einen stromdurchflossenen Leiter, des­ sen Stromstärke zu messen ist, wird ein Ringkern gelegt, der mit einer vom Kompensationsstrom durchflossenen Kompensationswicklung versehen ist. Das Meßprinzip beruht darauf, daß im Kompensations­ fall der Ringkern unmagnetisch ist. Die Überprüfung der Kompensa­ tionsbedingung erfolgt durch zwei gegensinnig gewickelte Abfrage­ wicklungen, die mit hochfrequenten Abfrageimpulsen gespeist wer­ den. Ist der Ringkern magnetisiert, entsteht hierdurch eine gegen­ sätzliche Phasenverschiebung der Signale in den Abfragewicklungen, die als Abweichungssignal detektierbar ist. In einer weiteren Aus­ führungsform sind vier Abfragewicklungen vorgesehen, die nach Art einer Brücke geschaltet sind.

Das Steuersignal für den Kompensationsstrom wird in herkömmlicher Technik mit Leistungs-Operationsverstärkern erzeugt, die eine Stromversorgung von +15 V und -15 V benötigen. Die begrenzte Strom­ belastbarkeit dieser Operationsverstärker führt dazu, daß eine relativ hohe Wicklungszahl für die Kompensationswicklung erforder­ lich ist, wenn relativ hohe Primärströme gemessen werden sollen, wie sie beispielsweise in der elektrischen Antriebstechnik üblich sind. Die große Windungszahl führt zu einem Dynamikverlust, also zu einem verzögerten Nachlaufverhalten des Kompensationsstroms. Die bipolare Stromversorgung steht im übrigen einer Integration der Schaltung in üblicher Chiptechnik entgegen.

Die Erfindung geht somit von der Problemstellung aus, einen Kom­ pensationsstromregler mit im Markt verfügbaren Bauelementen zu schaffen, der eine verbesserte Dynamik aufweist und auch in inte­ grierter Form ausgebildet werden kann.

Ausgehend von dieser Problemstellung zeichnet sich ein Kompensa­ tionsstromregler der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß da­ durch aus, daß an den Sensor eine vorzugsweise als Signumstufe ausgebildete Auswertungsstufe angeschlossen ist, die ein erstes und ein zweites digitales Steuersignal in Abhängigkeit vom Über- oder Unterschreiten des Sollwerts des Sensorsignals erzeugt, und daß die digitalen Steuersignale eine Erhöhung bzw. Verminderung des Kompensationsstroms steuern.

Vorzugsweise geschieht dies dadurch, daß der Kompensationsstrom im Diagonalzweig einer Schalterbrücke abnehmbar ist, deren diagonal gegenüberliegenden Schalter von dem ersten bzw. zweiten digitalen Steuersignal leitend schaltbar sind.

Erfindungsgemäß wird lediglich das Vorzeichen des Abweichungssi­ gnals des Sensors festgestellt und zur Steuerung des Kompensa­ tionsstroms verwendet. Diese Steuerung erfolgt durch ein ständiges Umschalten einer Spannung, die in dem verarbeitenden Bauteil, vor­ zugsweise eine Kompensationswicklung, zu einem praktisch stetigen Stromfluß integriert wird. Das Maß der vom Sensor festgestellten Abweichung wird nicht mehr zur Steuerung verwendet. Aufgrund der hochfrequenten Abfrage führt dies nicht zu Nachteilen. Der erfin­ dungsgemäße Kompensationsstromregler kann somit in außerordentlich einfacher Weise aufgebaut werden und benötigt nur noch leistungs­ fähige Schalter in der Schalterbrücke, die vorzugsweise durch MOSFETs gebildet werden.

Die Abfragefrequenz kann in üblicher Weise im MHz-Bereich liegen.

Der erfindungsgemäße Kompensationsstromregler benötigt lediglich eine unipolare Versorgungsspannung von 5 V und ist daher ohne wei­ teres in herkömmlicher Chiptechnik integrierbar. Die hochfrequent schaltbaren MOSFETs und die hochfrequente Abfrage sorgen für eine hohe Dynamik des Kompensationskreises. Aufgrund der großen Strom­ tragfähigkeit der Schalter in der Schalterbrücke kann die Win­ dungszahl der Kompensationswicklung klein gehalten werden, was die erreichbare hohe Dynamik ermöglicht.

Da nur digitale Signale für den Kompensationsstromregler benötigt werden, kann aufanaloge Bauelemente oder Analog-Digital-Wandler vollständig verzichtet werden.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines erfindungs­ gemäßen Kompensationsstromreglers,

Fig. 2 eine grafische Darstellung der verwendeten Steuer­ spannungen für den Kompensationsstrom und für den daraus resultierenden Verlauf des Kompensations­ stroms,

Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2 über einen längeren Zeitraum, aus dem in Fig. 2 ein Ausschnitt vergrö­ ßert dargestellt ist.

Fig. 1 läßt vier als Brücke geschaltete Abfragewicklungen L₁₁, L₁₂, L₂₁ und L₂₂ erkennen, aus denen ein positives Sensorsignal SEN POS und ein negatives Sensorsignal SEN NEG abnehmbar ist. Die beiden Sensorsignale SEN POS und SEN NEG gelangen auf die beiden Eingänge eines Komparators 1, an dessen Ausgang eine "1" ansteht, wenn das Sensorsignal positiv ist und eine "0" ansteht, wenn das Sensorsi­ gnal negativ ist. Es ist erkennbar, daß durch den Komparator jeg­ liche Amplitudeninformation des Sensorsignals verloren gegangen ist.

Das Ausgangssignal des Komparators 1 gelangt auf den D-Eingang eines Flipflops 2 dessen Q-Ausgang mit dem D-Eingang eines weite­ ren Flipflops 3 verbunden ist. Die beiden anderen Eingänge der Flipflops 2, 3 werden jeweils von Taktsignalen OSZCLK bzw. SYSCLK gesteuert, wobei der Abfrageimpuls SYSCLK über eine Verzögerungs­ schaltung 4 zum zweiten Flipflop 3 gelangt, um inhärente induktive Verzögerungen im Sensor zu kompensieren. Die beiden Flipflops 2, 3 dienen somit zur Synchronisation des Ausgangssignals des Komparators 1.

Die beiden Ausgänge des zweiten Flipflops 3 bilden Steuersignale HB A und HB B für vier MOS-FET-Schalter 5, 6, 7, 8, die nach Art einer Brücke zwischen die Anschlüsse einer 5 V-Spannungsversorgung geschaltet sind. In den Diagonalzweig der Brücke ist eine Kompen­ sationswicklung L_K eingeschaltet, über die ein Kompensationsstrom i_K fließt.

Das Steuersignal HB A gelangt auf zwei Schalter 7, 8, in Serie geschaltet zwischen den Anschlüssen der 5 V-Spannungsversorgung liegen, jedoch entgegengesetzte Polarität aufweisen. Dies bedeu­ tet, daß durch ein positives Steuersignal HB A der eine Schalter 7 gesperrt wird, während der andere Schalter 8 leitend bleibt. Ana­ loges gilt für das Steuersignal HB B und die im anderen Zweig der Brücke untereinander geschalteten Schalter 5, 6.

Daraus resultiert, daß in Abhängigkeit von dem Vorzeichen des Aus­ gangssignals des Sensors die diagonal gegenüberliegenden Schalter 5, 8 oder 7, 6 leitend werden, so daß in einem Fall eine positive Spannung (5 V) in einer Richtung an der Kompensationsspule L_K an­ liegt, im anderen Fall in der entgegengesetzten Richtung. Dies führt zu einem ständigen Anwachsen bzw. Abnehmen des resultieren­ den Stroms in der Kompensationsspule L_K.

Fig. 2 verdeutlicht dies. Wird bei der hochfrequenten Abfrage festgestellt, daß das Sensorsignal positiv ist, entsteht an der Schalterbrücke 5, 6, 7, 8 eine positive Spannung bezüglich der Pfeilrichtung des Kompensationsstroms i_K in Fig. 1 so lange, bis das daraus resultierende Anwachsen des Kompensationsstroms i_K zu einer negativen Ausgangsspannung des Sensors führt. Hieraus resul­ tiert durch die Umschaltung der Schalterbrücke 5, 6, 7, 8 eine bezüglich der festgelegten Stromrichtung negative Spannung, was zu einer Abnahme des Stromes führt. Aufgrund der Abnahme des Kompen­ sationsstromes i_K wird der Sensor einer gewissen Zeit wieder ein positives Sensorsignal abgeben, wodurch (hier etwa beim Zeitpunkt 2,04 × 10^-4s) eine positive Spannung entsteht, die wieder zum An­ steigen des Kompensationsstromes i_K führt usw.

Fig. 3 verdeutlicht, daß durch eine Vielzahl von Umschaltungen der Schalterbrücke 5, 6, 7, 8 ein praktisch gleichförmiger Kompen­ sationsstrom i_K entsteht, der mit einem durch die Zeitpunktregelung verursachten Ripple überlagert ist.

Claims (8)

1. Kompensationsstromregler mit einem Sensor (L₁₁, L₁₂, L₂₁, L₂₂) zur hochfrequenten Abfrage der Wirkung des Kompensationsstro­ mes (i_K) und einem den Kompensationsstrom (i_K) in Abhängigkeit von Abweichungen von einem Sollwert des Sensorsignals ein­ stellenden Stromsteller, dadurch gekennzeichnet, daß an den Sensor eine Auswertungsstufe (1, 2, 3) angeschlossen ist, die ein erstes und ein zweites digitales Steuersignal (HB A, HB B) in Abhängigkeit vom Über- oder Unterschreiten des Soll­ werts des Sensorsignals erzeugt, und daß die digitalen Steuersignale eine Erhöhung bzw. Verminderung des Kompensa­ tionsstroms (i_K) steuern.

2. Kompensationsstromregler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sollwert des Sensors ein Nullsignal ist.

3. Kompensationsstromregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswertungsstufe (1, 2, 3) eine Signum­ stufe ist.

4. Kompensationsstromregler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Magnetfeldsensor ist.

5. Kompensationsstromregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Frequenz von 1 MHz für die Abfra­ ge der Wirkung des Kompensationsstromes (i_K).

6. Kompensationsstromregler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom (i_K) im Diagonalzweig einer Schalterbrücke (5, 6, 7, 8) abnehmbar ist, deren diagonal gegenüberliegende Schalter (5, 8 bzw. 6, 7) von dem ersten bzw. dem zweiten digitalen Steuersignal (HB A, HB B) leitend schaltbar sind.

7. Kompensationsstromregler nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Diagonalzweig der Schalterbrücke (5, 6, 7, 8) eine Kompensationswicklung (L_K) geschaltet ist.

8. Kompensationsstromregler nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, da die Schalter (5, 6, 7, 8) in der Schalterbrücke MOSFETs sind.